[发明专利]一种氮掺杂碳纳米环及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种氮掺杂碳纳米环及其制备方法与应用，所述制备方法包括：将碳源与氮源混合得前驱体混合物；并对该前驱体混合物直接加热，在能使其中的氮源熔化的温度下反应得所述氮掺杂碳纳米环；所述氮源为尿素，所述碳源为柠檬酸钠。采用本发明的方法制备氮掺杂高致发光碳纳米环，只需一步反应，无需高压，反应速度超快，而且副产物和中间产物极少，原料用量极少，任意比例、成本低，荧光量子产率高，所得的碳纳米环发光强度高，且成功应用于Fe³⁺检测，此外，可以识别溶液中的酸碱度，对水处理有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂碳纳米环及其制法与应用，属于纳米材料领域。

背景技术

碳元素是地球上所有已知生命的基础，在现代科技发展中拥有举足轻重的作用。碳的无数化合物是日常生活中不可缺少的物质，产品从尼龙和汽油、香水和塑料到鞋油、滴滴涕和炸药等，范围广泛种类繁多。碳元素具有多样的电子轨道特性(sp、sp²和sp³)，所以可以形成许多结构和性质奇特的物质，如碳纳米管、富勒烯、纳米金刚石、石墨烯及氧化石墨烯等。

近年纳米碳材料的研究正在如火如荼的进行，荧光碳纳米环作为一种新型的碳纳米材料，出色的光学性质和低毒特性使碳纳米环成为最具应用前景的环境友好型纳米材料，其具有优越的发光性能并且发光稳定、易于功能化和工业化、具有低毒，易制备，生物相容性极好的特性，可以广泛的应用在环境监测，生物成像，细胞检测，光电催化等领域中，拥有重要的应用价值。

近年来，研究者在高荧光性能碳纳米材料的制备及其应用方面做了大量的研究，碳纳米材料的的合成方法主要分为“自上而下”和“自下而上”法。制备碳纳米材料的碳源非常广泛，既可以是碳单质也可以是碳化合物。但是，目前制备碳纳米材料通常需要在加压，微波等苛刻条件下进行，这些条件限制了碳纳米材料的推广应用。此外，采用不同的原料作碳源和不同的合成方法得到的碳纳米材料荧光效果大不相同，有的甚至没有荧光。为了获得发光强度高的碳纳米材料，拓宽其在生物医学等领域的应用，简易制备水溶性好和发光强度高的荧光碳纳米材料仍有很大的探索空间。

发明内容

有鉴于现实需要，本发明的主要目的在于提供一种氮掺杂碳纳米环的制备方法，以期能方便快捷的获得发光强度高的碳纳米环。

本发明的另一目的在于提供由上述制备方法获得的氮掺杂碳纳米环。

本发明的再一目的在于提供所述氮掺杂碳纳米环的应用。

为实现上述目的，一方面，本发明提供氮掺杂碳纳米环的制备方法，其包括：将碳源与氮源混合得前驱体混合物；并对该前驱体混合物直接加热，在能使其中的氮源熔化的温度下反应得所述氮掺杂碳纳米环；所述氮源为尿素，所述碳源为柠檬酸钠。

上述制备方法为直接加热法，非常简便，避免了现有合成碳纳米材料时所采用的加压、微波等苛刻条件，能一步合成得到荧光强度高的氮掺杂碳纳米环。

关于柠檬酸钠与尿素的用量，本发明不管以任何质量比进行反应，都会得到具有荧光效果的氮掺杂碳纳米环产物。

进一步优选地，所述柠檬酸钠与所述尿素的质量比为1:0.1至1:16，例如1:0.1，1:0.25，1:0.3，1:0.4，1:0.5，1:0.6，1:0.7，1:0.8，1:0.9，1:1，1:2，1:3，1:4，1:5，1:6，1:7，1:8，1:9，1:10，1:11，1:12，1:13，1:14，1:15，1:16等。优选1:4，本发明实验表明当所述柠檬酸钠与尿素的质量比为1:4时，荧光强度和量子产率会出现一个峰值，当在1:4以下，其荧光强度不会有明显的增加；当大于1:4后，荧光强度也没有明显的下降，即微微下降，但是不太显著。